Кесте 2
| № | L, см | а1, см | а2, см | l, см | f, см |  , см
|
Бақылау сұрақтары
1. Жұмыста қарастырылған жинағыш линзаның бас фокус аралығын анықтаудағы екі әдістің қайсысының дәлдігі жоғары? Неліктен?
2. Линзаның бас фокус аралығы түскен жарықтың толқын ұзындығына тәуелді ме? Егер тәуелді болса, қалай?
3. Линзаның оптикалық күші деген не? Линзаны оптикалық мөлдір сұйыққа батырғанда оның оптикалық күші қалай өзгереді?
4. Линзаның үлкейтуі деген не? Линзаны оптикалық мөлдір сұйыққа батырғанда линзаның үлкейтуі өзгере ме? Егер өзгеретін болса, қалай?
№ 13 ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС
ДИФРАКЦИЯЛЫҚ ТОРДЫҢ КӨМЕГІМЕН ЖАРЫҚ ТОЛҚЫНЫНЫҢ ҰЗЫНДЫҒЫН АНЫҚТАУ
Жұмыстың мақсаты:
1) дифракциялық торда интерференция мен дифракцияны зерттеу;
2) жарық толқынының ұзындығын өлшеу.
Қажетті құрал жабдықтар: Оптикалық үстелше жарық көзімен, дифракциялық тор
Теориядан қысқаша мәлімет
Жарықтың интерференциясы мен дифракциясы
Жарық – толқындық және корпускалалық қасиеті байқалатын электромагниттік толқын.
Жарықтың толқындық қасиеті интерференция және дифракция құбылысында байқалады. Интерференция деп когерентті толқындардың қосылуы аймағында жарық екпінділігінің үлестіруімен жүретін құбылысты айтады. Сондықтан осындай жағдайда жарықтың максимумдары мен минимумдары байқалады. Жарық екпінділігі деп түсетін жарыққа перпендикуляр жазықтықтың бірлік ауданынан бірлік уақыт ішінде жарық толқыны тасымалдайтын орташа энергияға тең шаманы айтады. Екпінділік түсетін толқынның амплитудасының квадратына пропорционал.
Когерентті толқын – бұл тербеліс жиіліктері бірдей, қосылу нүктесінде уақытқа байланысты фазалар айырымы немесе қосылу нүктесіне дейінгі 
оптикалық жол айырымы тұрақты болатын толқындар. Сонымен қатар, жарық толқындарында тербеліс бағыты бірдей болу керек.
Егер оптикалық жол айырымы 
, ал фазалар айырымы 
тең болса, яғни зерттелетін нүктеге тербелістер бір фазада жететін болса, когерентті толқындардың интерференциясы кезінде жарық интенсивтілігінің максимумы байқалады.
Егер 
және 
, яғни тербеліс тер зерттелетін нүктеге қарам-қарсы фазада жететін болса, екпінділіктің минимумы байқалады. Берілген жағдайда m – бүтін сандар m = 0,1,2,3… , 
– вакуумда және ауадағы толқын ұзындығы.
Дифракция құбылысы толқындық беттің тұтастылығы жойылған кезде пайда болады және дербес жағдайда жарықтың түзу сызықты таралуы бұзылатын болса, яғни бөгетті айналып өтуі кезінде көрінеді.
Дифракцияның міндеті бөгеттің өлшемі мен формасына байланысты экранда жарықтылықтың қалай үлесетіндігін анықтау болы табылады.
Гюйгенс принципіне сәйкес толқын жеткен нүкте екінші ретті толқынның центрі ретінде қабылдауға болады. Френель осы идеяны былайша толықтырды: екінші ретті толқындар когерентті және қосылу кезінде бірін-бірі интерференциялайды.
Параллель сәулелердегі жарық дифракциясы Фраунгофер дифракциясы (толқын көзі экраннан үлкен қашықтыққа алыстатылған) деп аталады. Осы жұмыста Фраунгофер дифракциясы қарастырылады. Егер монохроматты жарық түсетін болса, бұл жағдайда дифракциялық бейне қара немесе ақ сақиналар түрінде байқалады.
Дифракциялық тор
Ені а болатын бір-бірінен бірдей b мөлдір емес аралықтармен бөлінген N саңылаудан жүйені қарастырайық (сурет 1), осындай жүйе дифракциялық тор деп аталады. 
Сурет 1
Айталық торға жарық перпендикуляр бағытта түсірілген болсын. Саңылаудың артында дифракция нәтижесінде сәулелер торға түскен сәулелерге қандай да бір жасай отырып, таралатын болады. Егер осы сәулелердің жолына жинағыш линзаны орналастыратын болсақ, осы линзаның фокальдық жазықтығында бір нүктеде бірдей бұрышпен ауытқыған сәулелер жинақталады. Бір-біріне сәйкес сәулелердің арасындағы оптикалық жол айырымы 
тең болады, мұнда 
– саңылауға түсетін сәуле мен ауытқыған сәуле арасындағы бұрыш, немесе 
d sin , мұнда d =a+b – дифракциялық тордың периоды, осы жол айырымына сәйкес келетін фазалар айырымы 
.
Егер 
болса, онда 
, демек сәулелер бір фазада жетеді және бірін-бірі күшейтеді.
Осы жағдай үшін максимумдардың болу шарты: d sin 
m , мұнда m = 0; 
. Осы максимумдар негзі деп аталады.
Максимумдар шартынан m=0 болса, 
. Экранда нөлінші ретті максимум алынады. 
болса, нөлінші реттің екі жағында да екі бірінші ретті максимумдар пайда болады және т.с.с.
Дифракциялық торды ақ жарықпен жарықтандырса, ақ жарықтың нөлінші ретті жолағы пайда болады, өйткені үшін максимум шарты кез келген толқын ұзындықтары үшін орындалады. m 
ретті әр жолақ спектр болады, сонымен бірге қызыл шетіне дифракцияның үлкен бұрышы сәйкес келеді.
Максимумдар екпінділігі біртіндеп азая бастайды, дифракциялық спектрдің саны шектеулі және ол мына шарт бойынша анықталады
. (1)
Дифракциялық тор жақсы спекрлік аспап болып табылады, спектроскопияда жарық толқын ұзындығын өлшеу үшін кеңінен қолданылады.
Эксперименттік құрылғының сипаттамасы және өлшеулер әдісі
Жұмыста қолданылатын аспап бөлгіштері бар сызғыштан (1), осы сызғыштың соңында дифракциялық тор (2) бекітілген, осы сызғыштың бойымен саңылауы және миллиметрлік шкаласы бар экран (3) еркін қозғала алады. (Сурет 2).
Сурет 2
Егер саңылауға (4) жарық көзінен жарық шоғын түсіретін болсақ, оған дифракциялық тор (2) арқылы қарап, осы саңылаудың екі жағынан қозғалмалы экранның (3) шкаласында дифракциялық бейнені көруге болады – минимумдармен бөлінген бірнеше ретті максимумдар. Егер жарық ақ болса, онда максимумдар ақ жарық спектрі түрінде байқалады. Бұл құбылыс келесі жағдаймен түсіндіріледі: көз торында көз бұршағының фокальдық жазықтығында тордан ауытқыған сәулелердің параллель шоқтары жинақталады. Егер ( ) ауытқу бұрышы d sin 
шартын қанағаттандыратын болса, онда Ф нүктесінде (Сурет 1) толқын ұзындығына сәйкес келетін саңылаудың бейнесі алынады. Бақылаушы осы бейнені шкалада көзге түскен сәулелердің жалғасында көретін болады.
d sin m формуласынан,
(2)
шығады.
Сурет 3
Реті аз болатын спектрлер үшін сәулелердің ауытқу бұрышы аз болады, өйткені 
2 
1 (сурет 61.3), мұнда
1 – (1) сызғыш бойымен есептеліп алынған дифракциялық тордан саңылауы бар экранға дейінгі қашықтық;
2 – қозғалмалы экранның (3) шкаласы бойымен есептеліп алынған саңылаудан таңдап алынған спектрге дейінгі қашықтық (Сурет 3).
Онда sin 
tg = 
, осыдан
немесе 
мұнда 
.
N – берілген дифракциялық тор үшін бірлік ұзындыққа келетін саңылаулар саны.
Жұмысты орындау тәртібі
1 Жұмыс бастамас бұрын жарық көзін орнатады, дифракциялық тор арқылы саңылауға қарап, саңылаудан ең ұзын көрінетін қызыл сәулелерге сәйкес келетін бірінші және екінші ретті ( 
1, 
2) қызыл спектрге дейінгі қашықтықты өлшеу керек. Есепті оң 
және сол 
спектрлер үшін, яғни m=0 (ақ жарық) орталық максимумның екі жағынан жасау керек. Алынған мәндердің орташасын есептеу керек:
(3)
2 саңылаудан дифракциялық торға дейінгі l1 қашықтықты өлшеңіз.
3 l1 тағы да екі мәні үшін сәйкес келетін 
мәндерін алу керек, яғни m= 1; и m= 2 үшін.
4 l1 және m әр түрлі мәндеріне сәйкес келетін 
мәндерін төмендегі формуламен есептеу керек
(4)
мұнда 
- дифракциялық тордың тұрақтысы, N – бірлік ұзындыққа келетін штрихтар саны N=105м-1.
5 Абсолют 
және 
салыстырмалы қателіктерді төмендегі формулалар бойынша есептеңіз
, (5)
мұнда t(n) – n үшін Стьюдент коэффициенті, n – өлшеулер саны.
6 Өлшеулер нәтижелері мен есептеулерді кестеге енгізіңіз.
Өлшеулер мен есептеулер кестесі
| № | 
| 
| 
| 
|
| 
| 
| 
|
|
|
| м | м | м | м | м | м | м2 | м | % | ||
| ор. |
Өлшеулер нәтижесін сенімділік интервалы түрінде жазыңыз
(6)
Бақылау сұрақтары
1. Жарық деген не?
2. Қандай құбылыс интерференция деп аталады?
3. Когерентті толқындардың сипаттамаларын атаңыз.
4. Интерференция кезінде максимум мен минимум шартын көрсетіңіз.
5. Қандай оптикалық құбылыс жарық дифракциясы деп аталады?
6. Гюйгенс, Гюйгенс-Френель принципі нені білдіреді?
7. Дифракциялық торда жарық дифракциясы қалай өтеді?
8. Тордан өткен сәуленің жолын көрсетіңіз?
9. Тордан алынған дифракциялық бейнені суреттеп беріңіз. Максимум мен минимумның пайда болу шартын жазыңыз.
10. Дифракциялық спектрде түстердің реті қандай? Неліктен?
№ 14. ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС
ІШКІ ФОТОЭФФЕКТІНІ ОҚЫП ҮЙРЕНУ
Жұмыстың мақсаты: ішкі фотоэффект құбылысын тәжірибе жүзінде зерттеу.
Құрал жабдықтар: жапқыш қабатты фотоэлемент, микроамперметр 100мкА, 4В арналған ток көзі, қыздыру шамы, оптикалық үстелше, жалғағыш сымдар.
Теориядан қысқаша мәлімет
Ішкі фотоэффект құбылысының сыртқы фотоэффектіден ерекшелігі ол жартылай өткізгіштердің жарық өткізгіштік құбылысына негізделген. Бұл конденсирленген ортадағы (сұйықтар және қатты денелер) жарық кванттарын (фотондар) жұтып, электрондардың энергетикалық деңгейлерде қайта бөліну құбылысы. Зерттелетін зонадан сыртқа шығатын электрондар тогы өлшенетін сыртқы фотоэффектіден ерекшелігі, ішкі фотоэффект ортаның ішінде ток тасымалдаушылар концентрациясының өзгеруі бойынша, яғни фотоөткізгіштіктің пайда болуымен немесе фото – Э.Қ.К.-нің пайда болуымен түсіндіріледі. Бұл құбылыс металдарда ескрілмесе де жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерде кеңінен қолданылады, себебі ол заттың негізгі қасиеттерімен де және олардағы қоспалардан да тәуелді. Бірінші жағдайда фотон жұтылғанда, электронның валенттік зонадан өткізгіштік зонаға ауысуы болады. Бұл валенттік зонада қосымша кемтіктердің пайда болуына және өткізгіштік зонада қосымша электрондардың пайда болуына әкеледі. Биполярлы (n-p) фотоөткізгіштік пайда болады. Екінші жағдайда қоспа центрлерінде жарықтың жұтылуы нәтижесінде электрондар қоспалы энергетикалық деңгейлерден өткізгіштік зонаға өтеді немесе электрондар валенттік зонадан қоспалы деңгейлерге өтеді. Нәтижесінде моно фотоөткізгіштік пайда болады. Бір фотонның қатысуымен болатын электрондардың ауысуы тек электрондардың импульсі бірдей болатын күйлерде ғана мүмкін. Бұл жағдай электрондардың және кемтіктердің заттың кристалдық торларындағы иондардың жылулық тербелістерімен әсерлесуі нәтижесінде бұзылуы мүмкін. Бұл ауысу санын арттырады. Ішкі фотоэффектінің фотон энергиясынан тәуелділігін зерттеу фотоэффект тудыратын энергияның аз мәнінен 
, ауысулар зерттелетін деңгейлер мен зоналардың энергетикалық ара қашықтығының оптикалық шамасын анықтауға әкеледі. энергиясының шамасы меншікті ішкі фотоэффект кезінде қоспалыға қарағанда біршама үлкен. Фотонның үлкен энергиясы кезінде кемтіктер мен электрондар жаңа «электрон-кемтік» жұбын құруға қажетті энергия ала алады. Бұл құбылыс соққылай иондану деп аталады. Ішкі фотоэффект құбылысына фотокедергілер, жапқыш қабатты фотоэлементтер, фотодиодтар, фототриодтар және жарық энергиясын электр энергиясына айналдыратын түрлендіргіштер т.с.с құралдардың жұмыстары негізделген.
Бұл жұмыста селенді фотоэлемент қолданылады (1 сурет). Ол жартылай мөлдір жұқа 3 алтын қабаты жалатылған селен қабатымен 2 қапталған дөңгелек формалы темір пластинкадан 1 тұрады. Темір пластинка мен алтын қабыршағынан (оған түйістіру сақинасы 4 қойылған) қысқыштарға бұрағыштар қойылған, фотоэлеметті солар арқылы электр тізбегіне қосады. Арнайы өңдеу нәтижесінде алтын атомдарының бір бөлігі кемтік өткізгіштігі бар селенге еніп, онда электрондық өткізгіштігі бар қабат түзеді.
Өткізгіштігі әр түрлі екі қабаттың шекарасында электронды-кемтіктік p-n ауысу пайда болады.
Фотоэлементті жарықтандырғанда селенде еркін заряд тасымалжаушылары пайда болады, олар электронды-кемтіктік ауысудың электр өрісінің әсерінен былай бөлінеді: электррондар электронды жартылай өткізгіште, ал кемтіктер-кемтіктік жартылай өткізгіште жинақталады. Соның нәтижесінде фотоэлементтің қысқыштарында фотоэлектр қозғаушы күші пайда болады, фототоктың күші жарықталынуға тәуелді.
Жарықталыну деп жарық толқындарының интенсивтілігін немесе жарық ағынының тығыздығын айтады.
Осы жұмысты орындауға пайдаланылатын қондырғы (2 сурет) –екі жақ басы бітеу және екі тағанға бекітіп, горизонталь орналастырылған пластмасса түтік 1 бар. Түтіктің сол жағында селенді фотоэлемент орналасқан, ол түтіктің бір жақ басына орнатылған екі қысқышпен 2 иілгіш сымдар арқылы қосылған. Тұтқа 3 арқылы фотоэлементті горизонталь ості айналдыра 900 қа бұруға болады.
Айналу осьі фотоэлементтің актив бетінің диаметрі бойымен өтеді. Бұру бұрышын қондырғы корпусының бетіне бекітілген бұрыш өлшеуіштің шкаласы бойынша анықтайды. Түтіктің ортаңғы бөлігі екі жартыға бөлінеді. Жабық жартысы төменде түтіктің өн бойын алып жатқан саңылау жасайды. Саңылау қара матадан жасалған тығынмен жабылған. Түтіктің ашпалы қақпағының төменгі бөлігіне 0-ден 30 см-ге дейін бөліктері бар шкала 4 бекітілген, шкаланың нольдік бөлігі фотоэлементтің сезгіш қабатының жазықтығымен дәл келеді.
Қондырғы түтігінің ішкі жағында бірнеше қорғағыш қырлар бар және қара күңгірт түске боялған. Қырлар фотоэлементті шағылысқан сәуледен, ал қара бояу жарық дақтардан қорғайды.
Қондырғымен бірге микроамперметр 5 және 3,5 В-тық шам 6 орналасқан тіреуіш қажет. Шам тәжірибеде жарық көзі қызметін атқарады. Бұл жұмыста фотоэлемент фототогы күшінің жарықталынуға тәуелділігін зерттеп, осы тәуелділіктің графигін салу керек.
Жұмыстың орындалу реті
1.Дәптерлеріңе өлшеулер мен есептеулер нәтижелерін жазу үшін кесте сызыңдар.
| Фотоэлемент пен шамның ара қашықтығы r, м | Фотоэлементтің жарықталынуы E, лк | Фототок күші I, мкА | |
| 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. |
2.Қондырғының құрылысымен танысыңдар.
3.Қондырғының фотоэлементін түтіктің осьіне перпендикуляр орналастырып, оның қысқыштарын микроамперметрмен жалғаңыздар ( 2 сурет).
4.Ток көзіне ажыратқыш пен реостат арқылы электр шамын қосып, оны қондырғының ішіне фотоэлементтен 10 см қашықтықта орналастырыңдар.
5.Реостат арқылы микроамперметрдің стрелкасы бүкіл шкалаға ауытқитындай етіп қыл сымның қызуын таңдап алыңдар.
6.Шам мен фотоэлементтің ара қашықтығын арттыра отырып, әрбір 2 см сайын ток күшін өлшеңдер. Өлшеу нәтижелерін 1 кестеге жазыңдар.
7. Әрбір жағдай үшін фотоэлементтің E жарықталынуын:
E=J/r2
Формуласы бойынша есептеңдер, мұндағы I- жарық көзінің жарық күші (оны жуықтап 1кд тең деп алады );
r- шам мен фотоэлементтің ара қашықтығы, метрмен алынған. Нәтижелерді кестеге жазыңдар.
7. Кестедегі сан мәліметтер бойынша тор көзді қағазға фототок күшінің жарықталынуға тәуелділігінің графигін салыңдар. Абциссалар осіне люкс бойынша жарықталынуды, ал ординаталар осіне микроампер бойынша фототок күшін өлшеп салыңдар.
Бақылау сұрақтары
1. Селенді фотоэлементтің құрылысы.
2. Ішкі фотоэффект құбылысын түсіндіріңдер (жапқыш қабатты)
3. Ішкі фотоэффектінің түрлері (қоспалы және меншікті)
4. Фотоөткізгіштіктің түрлері. Ішкі фотоэффектінің қолданылуы.
ӘДЕБИЕТТЕР
1. Трофимова Т.И. Курс физики М., Высшая школа, 2004.
2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1,2,3 М., «ACT», 2006
3. Руководство к лабораторным занятиям по физике. (Под редакцией Гольдина). М. «Наука», 1973.
4. Савельев И.В. Жалпы физика курсы. 1 том, Алматы, «Мектеп» 1977
5. Тілеубергенова Г.А. т.б. Жалпы физика курсының практикумы. Алматы, «Мектеп» 1987
6. Сивухин Д.В. Общий курс физики. М., Физматлит, 2004
7. Физический практикум. Под ред. Ивероновой В.И. М.: Наука, 1978
8. Келинков С.Г., Соломехо Г.И. Практикум по физике. М.: Высшая школа. 1990.
9. Майсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики. М.: Высшая школа. 1970.
10. Ефремова Н.Н., Качан В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике. М.: Высшая школа. 1970.
11. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике. М.: «Высшая школа». 1965.